Schiff堿銅絡(luò)合物改性超高分子量聚乙烯及潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)研究.pdf

1、在摩擦學(xué)領(lǐng)域，摩擦學(xué)材料研發(fā)始終是最活躍的方向之一，因?yàn)橥ㄟ^(guò)摩擦學(xué)材料的設(shè)計(jì)，可以出現(xiàn)許多改善材料摩擦學(xué)性能的機(jī)會(huì)。 本文依據(jù)摩擦學(xué)中的選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的原理，進(jìn)行了用Schiff堿銅絡(luò)合物+甘油-聚乙烯微膠囊將UHMWPE材料改性為具有自身選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的摩擦學(xué)材料的設(shè)計(jì)；依據(jù)人體生物摩擦學(xué)中的生物假體“少磨損、低生物毒性危害”原則，進(jìn)行了用Schiff堿銅絡(luò)合物將UHMWPE材料改性為具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能和生物相容性的新型人

2、工關(guān)節(jié)材料的探索設(shè)計(jì)；依據(jù)摩擦學(xué)中的納米材料潤(rùn)滑的載體作用理論和選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的原理，進(jìn)行了用納米Schiff堿銅絡(luò)合物+納米Schiff堿將極性和非極性的基礎(chǔ)油改性為兼具自組裝緩蝕膜和選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)的新型潤(rùn)滑劑的設(shè)計(jì)。改性所用的添加劑為Schiff堿銅絡(luò)合物，這在摩擦學(xué)材料研發(fā)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。 在成功制備純UHMWPE塊材料、schiff堿銅絡(luò)合物和甘油-聚乙烯微膠囊等在schiff堿銅絡(luò)合物改性摩擦學(xué)材料中使用的基本材料的基

3、礎(chǔ)上，全面測(cè)試了它們的物性。 掃描電子顯微鏡(SEM)證實(shí)，純UHMWPE為樹(shù)枝狀晶，長(zhǎng)條狀晶及球晶的混合結(jié)構(gòu)。在干摩擦條件下滑動(dòng)時(shí)，純UHMWPE的摩擦學(xué)行為的一般規(guī)律完全可以用塑料摩擦學(xué)理論合理解釋。在此條件下，粘著磨損是UHMWPE損傷的主導(dǎo)機(jī)理，損傷形式為拉絲型破壞。本文在用光學(xué)顯微鏡和SEM直接觀察UHMWPE干磨損形貌的基礎(chǔ)上，建立了UHMWPE熱損傷模型，用熱損傷機(jī)理合理解釋了UHMWPE拉絲型損傷的現(xiàn)象。

4、 通過(guò)紅外光譜、紫外光譜及質(zhì)譜分析，證實(shí)本文已成功制備出六種Schifr堿銅絡(luò)合物，并揭示了它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 采用油相分離法制備出甘油-聚乙烯微膠囊，其包合得率在70[％]左右。經(jīng)過(guò)篩選確定了甘油-聚乙烯微膠囊的最佳成分配比。紅外光譜分析證實(shí)，以甘油-聚乙烯微膠囊為添加劑摻雜到UHMWPE粉料中模壓成形的材料中，含有甘油。 根據(jù)環(huán)境友好的要求、熱穩(wěn)定性條件以及摩擦實(shí)驗(yàn)篩選，從六種schiff堿銅絡(luò)合物中，選定乙二胺縮水楊

5、醛Schiff堿銅(II)絡(luò)合物為對(duì)UHMWPE進(jìn)行改性的添加劑。確定改性UHMWPE材料的配方為：15[％]乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(II)絡(luò)合物+5[％]甘油-聚乙烯微膠囊+80％UHMWPE粉料。 SEM分析證實(shí)，15[％]乙二胺縮水楊醛schiff堿銅(II)絡(luò)合物+5[％]甘油-聚乙烯微膠囊改性UHMWPE材料由許多納米級(jí)的球形小顆粒堆積而成，即其結(jié)構(gòu)由純UHMWPE材料原有的枝晶、條晶及球晶的混合結(jié)構(gòu)變?yōu)橥暾?/p>

6、勻的球晶結(jié)構(gòu)。紅外光譜分析證明，甘油已彌散分布在這種復(fù)合材料中，并且保持了其獨(dú)立性狀。實(shí)測(cè)證實(shí)，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性kUHMWPE的導(dǎo)熱性比純UHMWPE提高19％～33％；各種交變載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油．聚乙烯微膠囊改性UHMWPE比純UHMWPE的壓縮應(yīng)變小，粘彈性得到減弱，剛性得到增強(qiáng)。 銷(xiāo)-盤(pán)(面-面接觸)和環(huán)-塊(線-面接觸)摩

7、擦磨損試驗(yàn)證實(shí)，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油一聚乙烯微膠囊改性UHMWPE與鋼組成的摩擦副，在高速干摩擦條件下具有比純UHMWPE優(yōu)異得多的摩擦學(xué)特性。SEM分析、電子能譜(EDX)分析及特殊設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，均證實(shí)了其自身選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。其摩擦學(xué)行為，可用選擇性轉(zhuǎn)移機(jī)理解釋?zhuān)芰夏Σ翆W(xué)的一般理論不能解釋該摩擦學(xué)行為。15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+5％甘油一聚乙烯微膠囊改性UHMWPE突破了傳

8、統(tǒng)塑料不能在高速干摩擦條件下應(yīng)用的禁區(qū)，適用于高速干摩擦工況。 對(duì)15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE的初步微摩擦學(xué)性能測(cè)試表明，在與鈦合金配副干摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)比純UHMWPE低大約20％。在模擬人工髖關(guān)節(jié)臼受力水平的載荷下，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE與鋼配副干摩擦的最大摩擦系數(shù)比純UHMWPE低15％；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)

9、合物改性UHMWPE的磨損輕微，幾乎不產(chǎn)生磨屑，而純UHMWPE只能短時(shí)間運(yùn)行。從而證實(shí)了乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物對(duì)UHMWPE的改性，能減少材料在使用過(guò)程中的摩擦磨損及其產(chǎn)生的磨屑。這一積極效果對(duì)嘗試將這種改性UHMWPE材料向人工關(guān)節(jié)臼材料發(fā)展有借鑒意義。 體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)證實(shí)，15％乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物改性UHMWPE具有良好的生物相容性，加上其優(yōu)異的摩擦學(xué)特性，可望成為新型人工關(guān)節(jié)

10、材料。 采用W／O型微乳反應(yīng)器法，成功地在極性潤(rùn)滑基礎(chǔ)油(植物油)和非極性潤(rùn)滑基礎(chǔ)油(白油)中直接合成了納米級(jí)Schiff堿及Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物并使其自然分散在基礎(chǔ)油中。SEM直接觀察到改性潤(rùn)滑油中的乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物和乙二胺縮水楊醛Schiff堿的納米粒子，與常規(guī)方法制得的乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物的百微米量級(jí)的片狀顆粒形態(tài)不同，用W／O型微乳反應(yīng)器法制得的乙二胺縮水楊醛Sch

11、iff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物和乙二胺縮水楊醛Schiff堿的粒子的形態(tài)為納米級(jí)塊狀顆粒。 l％的納米乙二胺縮水楊醛SchifF堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+l％的納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿改性的極性潤(rùn)滑油(植物油)和非極性潤(rùn)滑油(白油)，均顯著提高了它們的極壓性能，前者提高約40％，后者提高約3.7倍。俄歇電子譜(AES)分析和x射線光電子能譜儀(XPS)分析均證實(shí)，在1％的納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+1％的納米乙二胺縮

12、水楊醛Schiff堿改性的極性潤(rùn)滑油和非極性潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下，鋼一鋼摩擦副發(fā)生了選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。從而表明這兩種改性潤(rùn)滑油摩擦學(xué)性能優(yōu)異的機(jī)理是選擇性轉(zhuǎn)移效應(yīng)。 實(shí)測(cè)證實(shí)，除了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能外，1％納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿銅(Ⅱ)絡(luò)合物+1％納米乙二胺縮水楊醛Schiff堿改性極性潤(rùn)滑油和非極性潤(rùn)滑油還具備優(yōu)異的緩蝕性能和抑菌性能。 將成功制備了納米Schiff堿銅絡(luò)合物+納米Schiff堿改性潤(rùn)滑油的W／O型微乳反

13、應(yīng)器法，移植到制備納米銅改性植物油，研究成功一步法獲得納米銅改性植物潤(rùn)滑油的新方法。以油基反應(yīng)制備的含1％十二烷基苯磺酸鈉修飾的納米銅的潤(rùn)滑油為最佳，其PB值達(dá)到了1084.6N，且油品穩(wěn)定儲(chǔ)存不產(chǎn)生沉淀的時(shí)間大于一年。SEM直接觀察到改性潤(rùn)滑油中的被十二烷基苯磺酸鈉修飾的銅粒子，其尺度為納米量級(jí)，并且顆粒之間沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。EDX分析發(fā)現(xiàn)銅單質(zhì)出現(xiàn)在鋼摩擦副的摩擦表面，證實(shí)了改性潤(rùn)滑油中的納米銅向鋼球摩擦表面的轉(zhuǎn)移，由此帶來(lái)了改性